O Coice da Bobina

A Indutância do enrolamento do motor

Força contra eletromotriz

   O coice que estou me referindo é a fcem (força contra eletromotriz). Que aliás é um nome inapropriado pra essa energia. Pois contra depende do ponto de vista e talvez por isso ela seja bastante incompreendida.
   Essa energia é um pico transitório que surge, dura um determinado tempo e some. Deixando apenas o rastro da sua aparição pelo estrago que provoca nos circuitos ou ajuda provocar.
   Onde surge e quando acontece a fcem?
   A fcem aparece nas indutâncias que existem nos circuitos, nas bobinas dos indutores, nos cabos, conectores e até nos terminais dos componentes e acontece no momento que se desliga a corrente que estava circulando por entre estes elementos.
   Mas o seu dano se espalha pelo circuito atingindo componentes bem longes. Quanto mais longe mais  afetado.
   Já que estamos falando de coice, vamos dar nomes aos bois.
   Estamos falando da indutância do enrolamento do motor que durante o chaveamento do inversor provoca o alto pico de tensão que aparece nos terminais do IGBT quando esta chaveando cargas indutivas.
   No circuito para controle do motor AC, o lugar onde tem a maior indutância é exatamente no motor.
   Se o motor é industrial então nem se fala. Como é projetado para ser ligado em 220Vca ou 380Vca, o fabricante enrola muitas voltas de fio fino pra que as bobinas suportem a tensão alta. Muitas voltas geram muita indutância e muita indutância é ruim. Por isso motores projetados para estas tensões não devem ser usados. Quando a ligação é para 380Vca a indutância do motor cresce mais ainda, pois se coloca mais espiras em série. E indutância em série é somada.

    Poucas voltas de fio significa pouca indutância, muitas voltas de fio significa muita indutância.

•     Rebobinar o motor com poucas espiras para baixa tensão e alta corrente é a principal arma pra domar o coice da bobina.

   Esta energia de pico de alta tensão deve ser tratada ou o IGBT sairá da SOA (Safe Operation Area), possivelmente entrando em avalanche. Que é algo que deve ser evitado.
O valor deste pico de tensão é determinado principalmente:

• Pelo valor da corrente do motor. Ic (A) Amperes
• Pelo valor da indutância da fiação interna e externa. Lx (Hy) Henry;
• Pela taxa a qual a corrente é desligada (di/dt). (A/s) Amperes por segundo.

   E este pico tem a mesma polaridade da fonte CC que alimenta o motor. A tensão final é:

Tensão do Coice = Vcc + Lx . (di/dt)

Apesar da corrente não entrar diretamente na formula, seu valor esta diretamente influenciando a (di/dt).
A variação aqui sempre sera de um patamar para 0. E este patamar pode ser 10A, 100A ou 300A. A (di/dt) de um desligamento de 300A é muito maior que uma variação de 10A.

Esta fórmula mostra que:

• Se qualquer uma das variáveis subir de valor, o coice também sobe.
• Se qualquer uma das variáveis diminuir de valor o coice também diminui.
• Trabalhar com tensão alta, com indutância alta, com corrente alta e com uma di/dt alta, aumenta a chance de um coice alto.

O entendimento da polaridade direta desta tensão reversa é a seguinte:

Lei de Kirchoff:

   A soma das tensões que entram num nó é igual a soma das tensões que saem do nó. Isto quer dizer que se tivermos o circuito da figura.

   Quando a chave for fechada, a tensão em cima do resistor, será a mesma da bateria e a polaridade desta tensão será a indicada na figura. Veja que a polaridade das tensões se cancelam. E isso tem sentido pois o resistor está consumindo a energia da bateria, e esta existindo uma queda de tensão em cima dele.

   Se abrirmos a chave e medirmos a tensão em cima dela, a tensão será a tensão da fonte. Podemos chamar de tensão direta pois ela tem a mesma polaridade.

   Se retirarmos o resistor do circuito e colocamos um indutor, após o transiente inicial, a queda de tensão em cima do indutor será a mesma do resistor e a polaridade desta queda de tensão é contraria da fonte.

ATENÇÃO. O Coice acontece agora  neste instante.

   Se abrirmos a chave e medirmos imediatamente a tensão em cima dela, a tensão será a tensão da fonte + a tensão produzida pelo indutor. No momento da abertura da chave, vai aparecer uma tensão em cima do indutor cuja a polaridade é oposta da que provocou a corrente nele. Esta tensão oposta, na verdade, tem a mesma polaridade da fonte de alimentação, ou seja ela vira uma fonte de tensão. Então estas duas tensões são somadas e ficam em cima dos terminais da chave de maneira transitória. Isto quer dizer que a tensão em cima da chave sobe, apesar da tensão aparecer reversa entre os terminais do indutor, ela é reversa apenas em cima do indutor.
   Se mudarmos o ponto de referência, ela é direta em relação à tensão da fonte.

   O valor deste pico de tensão é dado pelo produto das indutâncias do circuito, do valor da corrente e da taxa de variação da corrente se desligando (di/dt). A tensão em cima da chave é uma tensão direta e não reversa.

Trocando a chave pelo IGBT temos o que esta apresentado na figura:

  (di/dt) não é a freqüência do desligamento da corrente, não é a freqüência  PWM, o valor desta taxa é  a variação da corrente pelo tempo, ou seja é a derivada da corrente.

Como determinar o di/dt. Dado em A/s

Shoot through

   Uma das técnicas empregadas para amortecer o coice é a colocação de um diodo em paralelo com a bobina. Um diode freewheeling, snubber diode, flyback diode, diodo supressor (em paralelo com o  indutor) de alta corrente é conectado entre a bateria e  a bobina do motor. O pico é curto circuitado no diodo e no indutor. Cria-se uma malha fechada entre o diodo e o indutor. Nesta hora o diodo fica polarizado diretamente e conduz a corrente, curto circuitando a energia da bobina.

   Outra informação importante é o tempo de recuperação do diodo. O pulso polariza o diodo diretamente que fica polarizado até a energia da bobina se esvair e a tensão da fonte polarizar o diodo reversamente.
Este tempo é conhecido como tempo de recuperação. O diodo esta recuperando a sua situação de reversamente polarizado.
   O tempo de recuperação deste diodo freewheeling (em paralelo com o indutor) afeta o desempenho do chaveamento dos IGBTs. O tempo de recuperação é o tempo que o indutor leva para descarregar a energia acumulada.
   Quando operando numa freqüência de 16KHz ou numa taxa de repetição de 63us, o valor da  indutância do motor é grande o suficiente para manter o diodo freewheeling (em paralelo com o  indutor) em condução até o próximo ciclo de 63us ocorrer. Por exemplo, se o PWM é setado para 25% de duty cycle, então o IGBT é ligado em  25% de 63us = 4/63us = 16us e o diodo fica em condução por 63us - 16us = 47us. Isto significa que quando o próximo ciclo ocorre, o IGBT é chaveado pra ligar enquanto o diodo ainda continua em condução. O resultado é que o IGBT e o diodo conduzem um pico de corrente alto.

   O que acontece aqui é que no momento em que o IGBT é desligado, surge a tensão no indutor que polariza o diodo diretamente e começa a descarregar através do diodo que curto circuita a bobina, mas esta tensão não é descarregada instantaneamente, conforme o valor da  indutância, este tempo pode levar 63us pra descarregar(exemplo). Isto tem sentido, pois a corrente se descarrega em função da relação RL. Se o potenciômetro do PWM é colocado numa posição de 25% de duty cycle (ciclo de trabalho), patamar positivo do sinal do gate, significa que o período do sinal é 16us, com isso sobra apenas 47us pra energia do indutor se descarregar pelo diodo que neste instante se encontra polarizado diretamente, pois a tensão no indutor coloca o diodo em polarização direta. Se ainda existe tensão no indutor e o IGBT é chaveado pra ligar novamente no próximo ciclo. O que ocorre é um curto circuito entre a bateria,  o diodo (que se encontra polarizado diretamente pela tensão reversa do indutor e o IGBT. Fenômeno conhecido como shoot through.

• A indutância afeta o tempo de recuperação do diodo, que em frequências altas, não tem tempo suficiente de entrar no modo reverso, pois continua polarizado diretamente pela energia do pulso até não ter mais tempo pra descarga total é quando o IGBT liga e acontece um curto circuito entre a fonte, o diodo polarizado diretamente e o IGBT. 
• Neste caso a frequência alta é perigosa quando se tem indutância grande no circuito.

   A magnitude e duração deste pico de corrente shoot through é diretamente relacionado ao tempo de recuperação do diodo (tempo que o mesmo se encontra polarizado diretamente) (que é o tempo de descarga da energia do indutor), indutâncias dos terminais e da impedância da bateria na posição do diodo e IGBT.

CÁLCULO do VALOR do RESISTOR de SUPRESSÃO

Para diminuir o tempo de recuperação do diodo, a colocação de um resistor em série com o diodo é uma boa opção.
O valor deste resistor pode ser calculado através do seguinte raciocínio:

Primeiramente é necessário calcular qual a tensão que se pode manipular com o diodo e resistor juntos. Dependendo de onde colocar o diodo, a tensão da fonte Vcc term que ser somada
Para se calcular o valor do resistor, subtraia a queda de tensão no diodo, algo em torno de .6 ou .8 volt e a tensão Vcc. Obterá a tensão de pico que se deseja absorver no resistor. Este valor de tensão deve ser dividido pela corrente máxima que circulará pela bobina. O resultado é o valor do resistor. Use o menor valor de mercado mais próximo.

Acoplamento no Gate

Outro inconveniente que o pulso provoca é o acoplamento da tensão Vce para a Vge através da capacitância intrínseca do IGBT. Quando isso ocorre, a tensão Vge aumenta de valor, aumentando a Ic, este aumento de Ic pode provocar o disparo do tiristor intrínseco e fazer o IGBT entrar em colapso